《一種含有流-固耦合問題的多相流高效算法研究》是依託南京航空航天大學，由舒昌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：一種含有流-固耦合問題的多相流高效算法研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：舒昌
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
對含流-固耦合問題的多相流進行數值模擬應該是當前計算流體動力學研究中最具挑戰的難題之一。本項目迎接此挑戰，旨在發展一種高效的多相流數值模擬算法。該算法結合了現在流行的擴散界面法，格子波爾茲曼方法和浸沒邊界法。這一組合是目前該領域的首次嘗試。所發展的算法不僅可以模擬具有大密度比和粘性比的多相流問題，也可以快速有效地處理複雜物面和多相流之間的相互作用，同時還能模擬多相流中的動邊界流動問題。為提高計算效率和界面捕捉的精度，擬把格線自適應加密技術引進到多相流數值計算中。多相流高效算法發展之後，首先通過一些標準的數值算例對其進行驗證，然後把它套用於自然界和工程領域中含流-固耦合的複雜多相流問題。一方面可以通過流動模擬揭示其中的物理機理和流動特性，另一方面可以為相關行業提供有力的模擬工具和技術支撐。
結題摘要
涉及流固耦合的多相流現象在工業中隨處可見。例如，在深海石油和天然氣的開採中，我們就會碰到油-氣-固體粒子相互作用的多相流問題；在潛艇水下發射飛彈時，當飛彈離開水面的瞬間就會發生強烈的物面和多相流的相互作用並產生空化問題；在飛機飛行中物面結冰也是一種含流固耦合的多相流問題。本研究針對這類問題進行了積極探索，發展了一系列高效的數值算法。具體地說，本研究提出了兩種多相流計算方法。它們是基於自由能的相位場LBM模型（Free-Energy-based Lattice Boltzmann Model）和多相流LBFS算法（Multiphase Lattice Boltzmann Flux Solver）。提出的方法可以準確求解大密度比和大粘性比多相流問題。在提高相界面捕捉精度研究方面，提出了一種模板自適應的相位場LBM算法（Stencil Adaptive Phase-Field Lattice Boltzmann Method）。在處理邊界條件研究方面，提出了一種可以同時考慮第一類和第二類邊界條件的浸入邊界相位場LBM算法（Immersed Boundary-Phase Field-Lattice Boltzmann Method）和一種精確滿足梯度條件的浸入邊界格子玻爾茨曼通量求解器（Boundary Condition-Enforced Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Flux Solver）。除此之外，我們在流場求解器方面也做了一些探索，將早期的GKS（Gas Kinetic Scheme）進行合理簡化，提出了簡單高效的GKS。同時，還發展了一種適用於可壓縮流動問題的IBM。該工作為這一領域的先驅性探索。這些算法的有效性都已通過大量算例進行了驗證，為將其推廣到實際工程中含流固耦合多相流問題計算奠定了基礎。在含流固耦合問題的計算驗證與機理研究方面，本項目系統研究了圓柱後面含有鉸接平板、波紋狀平板、柔性平板等一系列流動控制問題，以及仿生學中拍動翼的功率提取機理和地面效應對功率提取效率的影響等問題。這些研究工作在流動控制、微型飛行器設計和水下仿生機器人設計等領域具有較大的套用價值。本研究的成果已在JCP、PRE、JFS和POF等流體力學知名期刊上發表了SCI論文14篇。項目成員里，有一人獲得了2016年度國家優秀青年科學基金資助。
